CN103521913B - 摩擦搅拌用工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生产效率优良、高温强度高、并且高温耐摩耗性优良的摩擦搅拌用工具。摩擦搅拌用工具，其特征在于，以Co基合金形成，该Co基合金具有：显示A1结构的γ相、以及于该γ相中析出的显示L1₂结构的γ′相；该γ′相包含（Co，X）₃（Al，W，Z），式中，X主要为Ni，Z主要为Cr及Ta，所述Co基合金含Ni30～50at%。

Description

摩擦搅拌用工具

本申请为申请号201010260766.5、申请日2010年8月20日、发明名称为“摩擦搅拌用工具”的分案申请。

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌用工具。

背景技术

存在如下摩擦搅拌接合方法：一边使比被接合材料实质上硬的材质的圆柱状构件（下面称作旋转工具、搅拌工具或摩擦搅拌用工具，有时也仅称作工具）旋转一边插入被接合材料的接合部，通过一边使该旋转工具旋转一边移动，在上述旋转工具与上述被接合材料之间通过发生的摩擦热进行接合。

专利文献1公开了一种摩擦熔接方法，其特征在于，在结合区域（2）接合加工物（1A、1B）的方法中，在结合区域（2）及结合区域的2个侧部的加工物的相对部分，插入比加工物材质硬的材质的探针（3），使在探针与加工物之间发生相对的循环运动，产生摩擦热，在相对的部分产生塑性状态，取出探针（3），使塑性部分凝固，加工物彼此结合，由此没有加工物之间的相对移动，加工物发生结合。该接合方法是，通过旋转工具与被接合材料的摩擦热使被接合材料软化，利用伴随着旋转工具旋转的塑性流动现象，被接合材料发生熔融的熔接方法，例如，是基于与电孤熔接等不同的原理的熔接方法。

专利文献2公开了一种摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，该工具具有从圆柱状旋转体与其端面肩部，于同轴上突出设置的探针，在一对被接合构件对接的接合部边旋转边插入探针，通过发生的摩擦热边软化边搅拌接合。在上述摩擦搅拌接合用工具中，上述探针与上述旋转体可装卸，该探针用超硬合金或钴类合金钢（MP159）形成。

专利文献3公开了旋转工具，其特征在于，该旋转工具是对金属彼此的接合部进行摩擦搅拌、形成整体化的用于摩擦搅拌接合的旋转工具，在接触金属的部位表面形成阻止接合材料金属附着的防止附着被膜。

专利文献4公开了一种摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，在一边使由比金属制工件硬的材质所制造的摩擦搅拌接合用工具旋转，一边挤压、插入到一对金属制工件的对接部中，对该金属制工件进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合用工具中，具有：由金属形成的中心构件，以及，把该中心构件的至少与上述金属制工件摩擦接触的区域加以被覆的陶瓷构件，该陶瓷构件包含Si的氮化物，该中心构件为以Fe、Ni、Co、及W的至少1种作为主成分的耐热性合金。

专利文献5公开了一种摩擦搅拌接合用工具，其是能对金属基复合材料（MMCs）、铁合金、非铁合金及超合金进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，该工具包含轴部、肩部及针部，以及该肩部及针部的至少一部分上配置的高耐摩耗性材料，该肩部机械固定在上述轴部上用于防止该肩部相对于上述轴部的旋转运动，该高耐摩耗性材料具有第1相及第2相，该高耐摩耗性材料在超高温及超高压下制造，能对MMCs、铁合金、非铁合金及超合金进行功能上的摩擦搅拌接合。

专利文献6公开了一种摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，其是能把具有1600℃以上高熔点的金属或合金作为被加工物进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合用工具，至少与上述被加工物接触的部分，具有以铱作为主成分，以铼、钌、钼、钨、铌、钽、锆或铪或这些成分的2种以上作为副成分的组成，并且具有显微维氏硬度为200Hv以上的硬度。

专利文献7公开了一种摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，在把从旋转的转子前端面延伸出来的探针压入被接合构件的接合部，沿该接合部使探针移动，将接合部中的被接合构件加以摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合用工具中，至少与上述被接合构件接触的探针及转子部分，由含Co5～18重量%的WC类超硬合金构成。

专利文献8公开了一种高耐热性、高强度Co基合金，其特征在于，除以质量比计：A1为0.1～10%、W为3.0～45%、其余为不可避兔的杂质以外是Co的组成及析出了以原子比为Co₃（Al，W）的L1₂型金属间化合物的金属组织。

［专利文献］

［专利文献1］日本专利2712838号公报

［专利文献2］特开2008-36664号公报

［专利文献3］特开2005-152909号公报

［专利文献4］特开2004-82144号公报

［专利文献5］特开2003-532543号公报

［专利文献6］特开2006-320958号公报

［专利文献7］特开2005-199281号公报

［专利文献8］国际公开2007/032293号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的目的是提供一种高温强度高，并且在高温时的耐摩耗性优良，生产率优良的摩擦搅拌用工具。

用于解决课题的手段

本发明的摩擦搅拌用工具，其特征在于，以Co基合金形成，该Co基合金具有：含分散析出的γ′析出相的晶粒、相邻的上述晶粒间夹持的晶粒边界区域及析出相。该析出相为选自μ相、莱夫斯相（lavesphase）及碳化物相的至少1种相，特别优选γ′析出相具有Co₃（Al，W）或（Co，X）₃（Al，W，Z）的组成。在这里，X主要为Ni，Z主要为Cr及Ta。

发明效果

按照本发明，可提供一种采用铸造以降低生产成本，易加工成各种工具形状等生产率优良的、高温时摩耗小的摩擦搅拌用旋转工具。另外，通过采用上述工具，Ti及Zr等难熔接材料也容易接合。

附图说明

图1为表示本发明实施例的旋转工具结构的侧面图。

图2为本发明的旋转工具材料的Co基合金锭的外观相片。

图3为表示本发明实施例的Co基合金锭的微观组织的电子显微镜相片。

图4为表示采用本发明的Co基合金旋转工具制造的SS400钢铁材料的接合部的外观相片。

图5A为表示本发明的Co基合金制旋转工具用于接合（360mm×2次）后的表面部的外观相片。

图5B为表示本发明的Co基合金制旋转工具用于接合（360mm×37次）后的表面部的外观相片。

图6为表示采用本发明的Co基合金制旋转工具制造的Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1材料的对接接合部的外观相片。

［符号的说明］

101、201：摩擦搅拌用工具、102：柄部、103：肩部、104：针部、105：针部-肩部连接部、106：针部前端部、301：晶粒、302：γ′析出相、303：晶粒边界区域、304：析出相。

具体实施方式

本发明涉及把材料通过摩擦搅拌加以接合或改性的摩擦搅拌用工具。

在铝合金等低熔点金属材料的摩擦搅拌接合中，已全部达到实用化。另一方面，在钢铁材料等高熔点金属材料的摩擦搅拌接合中，已较早就有报告，但钢铁材料的摩擦搅拌接合的研究报告例与铝合金等相比少很多。

在铝合金的接合中一般使用的工具钢制的旋转工具，当用于钢铁材料接合时，由于工具发生热变形，不易接合，可作为其理由之一举出。在钢铁材料等高熔点材料的摩擦搅拌接合中，作为旋转工具材料的特性，要求高温强度、耐摩耗性、无反应性等。

专利文献5公开了作为适于钢铁材料及高熔点材料接合用的旋转工具材料的PCBN那样的陶瓷材料（美国MegaStir制造的聚晶立方氮化硼）。

陶瓷材料，一般在高温时的强度高，但由于在室温切削困难，不易加工成各种工具形状。另外，由于通过烧结进行制造，从生产率这点考虑仍有改善的余地。

另一方面，Co基合金（钴基合金）也有比较高的高温强度，有希望作为旋转工具。关于Co基合金可运用于旋转工具的，在专利文献2、专利文献3、专利文献4、专利文献6、专利文献7等有记载。

Co基合金与陶瓷材料相比，由于室温下的切削性较好，可较简单地加工成各种形状，可期待其经济上的优点。但是，上述Co基合金中，在超过800℃的温度，材料的强度急剧下降，当上述Co基合金在钢铁材料那样的高熔点材料接合中作为旋转工具使用时，工具材料本身发生老化，产生工具的摩耗或破损。

专利文献8公开了即使在约1000℃的温度（钢铁材料的摩擦搅拌接合中的一般接合温度），仍可抑制急剧的强度下降的Co基合金。专利文献8中记载了在γ′强化型Co-4A1-26.9W（质量%）的3元类合金中，随着Ni含量的增加，在保持高温强度方面最重要的γ′固溶温度上升。

作为搅拌工具的要求特性，除高温强度外还可举耐摩耗性。另一方面，专利文献8记载的Co基合金中，影响耐摩耗性的因素还不清楚。作为上述因素，可考虑不仅是γ′固溶温度还有γ′的量（体积分数）及其他析出物等。

上述旋转工具中的耐摩耗性问题，作为旋转工具的材质，采用使显示L1₂结构的Co₃（Al，W）的γ′相析出的体积分数为10%至80%的Co基合金可以解决此问题。

γ′相的体积分数限定为10%至80%的理由如下。

当γ′相的体积分数在10%以下时，不能保持高温强度，摩擦搅拌用工具的一部分发生变形，耐摩耗性也不充分。另一方面，当γ′相的体积分数在80%以上时，B2结构的β相等过剩析出，耐摩耗性降低。

将除上述Co基合金的特征外，使选自μ相、莱夫斯相及碳化物（有时也称碳化物相）的1种或2种以上（至少1种相）析出的Co基合金用于旋转工具可以解决此问题。

在摩擦搅拌的搅拌温度区域中，可以保持高温强度及耐摩耗性的Co基合金的化学组成，含有约10at%的Al、约7.5at%的W、约3at%的Ta、约10at%的Cr、约0.06at%的B、约0.6at%的C，含Ni30～50at%左右是所希望的。另外，含Co25at%以上是所希望的。在这里，at%表示用原子%表示的单位，表示各构成原子的原子数对构成合金的全部原子数之比。

在上述组成范围的Co基合金的在室温时的屈服强度为约800MPa，较易切削。另外，由于上述Co基合金可以精密铸造，故可判断工具生产的经济效益大。

本发明的摩擦搅拌用工具，其特征在于，含有圆柱状的柄部、在该柄部的端部形成的肩部以及在该肩部的端部形成的针部。采用上述Co基合金铸造的整体成型物或切削加工物是优选的。本发明的摩擦搅拌用工具，安装在摩擦搅拌接合装置上使用。

下面，对本发明的实施例参照附图加以说明。

实施例1

图1为本发明的旋转工具中的工具构成之一例。

摩擦搅拌用工具101，是从通过精密铸造制成的锭切削加工成的整体。摩擦搅拌用工具101，通过加工成整体，可提高工具的刚性，同时可谋求工具制造的简化，可大幅削减成本。

摩擦搅拌用工具101，由与接合装置的主轴连结的柄部102；接合时，与被接合材料的表面接触的肩部103；接合时，插入被接合材料的针部104构成。

作为工具101的形状，肩部103的直径采用15mm的值。针部104，在与肩部103连接的针部-肩部连接部105中直径为6mm、针部前端部106为3.5mm。针部104的长度为1.8mm。被接合材料的铁类材料的厚度采用4mm。作为接合条件，工具101的旋转速度及接合速度分别采用250转/分钟及500mm/分钟。

图2为采用精密铸造制作的Co基合金锭的外观相片。

锭以Co-40Ni-10A1-7.5W-3Ta-10Cr-0.06B-0.6C的组成制成。单位全部为at%（原子%：各构成原子的原子数相对构成合金的全部原子数之比）。Co的含量为约29%。锭的外径为约30mm，长度除冒口的部分外为100mm左右。是用于制作摩擦搅拌用旋转工具足够的大小。另外，锭可在数分钟左右的非常短的时间内制成，已确认生产率优良。另外，已确认通过精密铸造可以制成近终形（ニアネット形状）的工具。

在锭制成后，于1250℃热处理后进行空气冷却，然后，于1000℃进行热处理。这是由于保持高温强度所必要的、为了显示L1₂结构的（Co，X）₃（Al，W，Z）的γ′相析出。在这里，X主要为Ni，Z主要为Cr及Ta。另外，上述热处理的温度，对于对耐摩耗性及晶粒边界强化有效的μ相、莱夫斯相及碳化物的析出也有效。

图3为上述锭的微观组织相片。

锭的构成含有：晶粒301；晶粒301的粒内的Al结构的γ相中细分散析出的γ′析出相302；晶粒边界区域303；晶粒边界区域303内存在的析出相304。γ′析出相302的体积分数为约60%。析出相304为μ相、莱夫斯相及碳化物相中的1种或多种的相。析出相304为使晶粒边界稳定的成分（晶粒边界稳定成分）。在这里，晶粒301是被晶粒边界区域303围绕的、于Co基体上使多数γ′析出相302（γ′粒子）分散的1个粒子。

这样的微观组织对高温强度及耐摩耗性的提高是有效的。

采用加工图2所示的锭而制造的摩擦搅拌用工具，对SS400铁类材料进行接合。

图4为表示采用图2所示的锭加工成图1形状所制造的摩擦搅拌用工具接合的SS400钢铁材料（铁类材料）的接合部的外观相片。

如本图（上述SS400材料接合部）所示，可以确认，采用本发明的摩擦搅拌用工具可进行SS400材料的摩擦搅拌接合。

作为接合条件，工具101的旋转速度及接合速度分别为250转/分钟及500mm/分钟。接合距离为360mm，进行多次反复接合。观察伴随着接合距离的摩擦搅拌用工具的形状变化，评价摩擦搅拌用工具的性能。

图5A及图5B示出了2次接合360mm后的工具表面部外观及接合37次后的外观。分别的总接合距离为0.72m及13.32m。

如本图所示，即使在接合13.32m（37次）时，针部及肩部上仍未见到明显的损伤。由于接合材料在针部及肩部上有若干附着，接合后的工具的形状变化未能明确测量出，但摩耗几乎未发生。

采用上述工具实施连续寿命评价的结果可以确认，即使在45m以上的总接合距离，工具的摩耗仍少，可作为工具使用。

从以上的结果验证，可以提供一种对SS400钢铁材料，该Co基合金工具的变形及摩耗少的摩擦搅拌工具。

实施例2～4

得到以下见解：除铁类材料外，对纯钛或钛合金采用图1的摩擦搅拌用工具101，能够适用于摩擦搅拌接合。本实施例中使用的钛材料，为工业用纯钛（实施例2）、钛合金Ti-6A1-4V（实施例3）、钛合金Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（实施例4）。

作为接合条件，工具101的旋转速度及接合速度分别为200转/分钟及100mm/分钟。

图6为采用图1的摩擦搅拌工具101接合了Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al材料的对接接合部的外观相片。

从本图可知，可以得到制成整齐的表面焊道（ビ-ド）。另外，在摩擦搅拌用工具的肩部及针部中未发现摩耗、变形。在本实施例中，接合后的工具通过外观检查等发现，上述Co基合金制旋转工具与钛合金几乎未发生反应。

从以上结果可知，本发明的摩擦搅拌用工具，即使对钛合金的摩擦搅拌接合也有效。

实施例5

下面示出采用具有Co-30Ni-9.5A1-7.8W-2Ta-10Cr-0.06B-0.6C的组成的Co基合金形成的摩擦搅拌用工具的结果。单位全部为at%。Co的含量为约40%。该工具作为工具201。工具201采用与工具101同样的方法制造。在上述工具201中，γ′析出相的体积分数为约45%。

通过差示扫描量热法测定（DSC），测定γ′析出物的固溶温度的结果示于表1。在表中，工具101，即含40at%Ni的合金的场合，γ′固溶温度为1163℃，工具201，即含30at%Ni的合金的场合，γ′固溶温度为1094℃。

表1

	γ′相的固溶温度	固相线温度
			工具101	1163℃	1339℃
工具201	1094℃	1358℃

本实施例的上述工具201，从表1所示的DSC结果可知，γ′析出物的固溶温度为1094℃。这是由于本实施例的摩擦搅拌用工具中的Ni、Ta含量比实施例1的摩擦搅拌用工具101低所致。工具101及工具201中的γ′相的固溶温度，比钢铁材料SS400的接合温度（1000℃）高，可认为上述工具的γ′相，在接合中也是稳定的。

与实施例1同样，采用本实施例的摩擦搅拌用工具进行钢铁材料SS400的接合。本实施例的摩擦搅拌用工具也采用与实施例1的摩擦搅拌用工具同样的形状。另外，接合条件也采用与实施例1同样的条件。接合距离为360mm，进行多次反复接合。

其结果可以确认，本实施例的场合也能够进行SS400材料的摩擦搅拌接合。

实施例6～12

实施例6～12的结果与实施例1～5的结果一并示于表2。

表2示出工具101与工具201用于各种接合材料的例子。

可以确认，可将工具101与工具201没有问题地用于从熔点低的铝合金到熔点高的不锈钢、Ti合金、Zr合金。

接合后观察工具的表面，工具无损伤及对表面无接合材料的附着，接合部无缺陷时评价为○（良）。

适用于实施例6～12的接合条件如下述。

实施例6：N=800转/分钟、V=200mm/分钟，实施例7：N=200转/分钟、V=100mm/分钟，实施例8：N=100转/分钟、V=50mm/分钟，实施例9：N=200转/分钟、V=100mm/分钟，实施例10：N=200转/分钟、V=100mm/分钟，实施例11：N=100转/分钟、V=50mm/分钟，实施例12：N=200转/分钟、V=100mm/分钟，N为工具的旋转速度，V为接合速度。

表2

另外，表3示出实施例1～12的γ′体积分数。

接合后工具中的γ′体积分数，A：10%～小于30%；B：30%～小于50%；C：50%～小于65%；D：65%～80%。在这里，例如，10%～小于30%意指10%以上且小于30%。

表3

从表2及表3可知，γ′析出相的体积分数为10%～80%的Co基合金构成的摩擦搅拌接合用工具，在任何一种接合中也都是有效的。另外，摩擦搅拌接合用工具中的γ′体积分数，不仅根据工具的合金组成，而且根据接合材料的种类及接合条件而变化。

比较例

通常采用PCBN制造的旋转工具实施Ti合金接合时，由于工具的摩耗激烈，接合部的表面也变得粗糙。这可以认为是由于PCBN制造的旋转工具中含有的N（氮）与Ti（钛）发生反应，形成TiN（氮化钛），易使工具摩耗所致。

如此，钛是具有活性的金属，人们不时发现在接合中与摩擦搅拌用工具发生反应。采用PCBN制工具的活性金属接合的效果示于表2，但由于激烈的工具摩耗而不能接合，故评价为×（不能接合）。

另外，当反复使用PCBN那样的陶瓷材质的旋转工具时，人们不时发现，肩部及针部发生裂纹，工具的一部分发生缺损。因此，现状是PCBN制旋转工具的寿命不可预测。这可以认为是由于陶瓷材料的热冲击性弱所致。

采用PCBN制旋转工具对SS400、SUS430（AISI430）、SUS304（AISI304）等材料进行接合的结果示于表2。由于使用中突然发生工具破损，故评价为△2。还有，与其相比，由于Co基合金为金属材料，故可认为工具难以发生突发破损。

另外，PCBN制旋转工具，当对铝合金（6N01）使用时，在工具表面附着接合材料（铝），焊道表面也变粗糙。在表2中用△1表示。

产业上的利用可能性

已知当将上述摩擦搅拌用工具（Co基合金制搅拌工具）用于高熔点材料结构部的摩擦搅拌接合时，熔接变形、溅射及残留应力变小。采用本发明的摩擦搅拌用工具的摩擦搅拌接合，可在汽车的板构件及管道等结构物中应用。

Claims (6)

1.摩擦搅拌用工具，其特征在于，以Co基合金形成，该Co基合金具有：显示A1结构的γ相、以及于该γ相中析出的显示L1₂结构的γ′相；该γ′相包含(Co，X)₃(Al，W，Z)，式中，X主要为Ni，Z主要为Cr及Ta，所述Co基合金含Ni30～40at％，在该γ相中，所述γ′相以体积分数含有10％至80％。

2.按照权利要求1中所述的摩擦搅拌用工具，其特征在于，所述Co基合金采用精密铸造形成。

3.按照权利要求1中所述的摩擦搅拌用工具，其特征在于，所述Co基合金为含有μ相、莱夫斯相及碳化物的至少1种的析出物。

4.按照权利要求1中所述的摩擦搅拌用工具，其特征在于，所述Co基合金含有Co25at％以上。

5.按照权利要求1中所述的摩擦搅拌用工具，其特征在于，包含圆柱状的柄部、该柄部的端部形成的肩部、以及该肩部的端部形成的针部。

6.摩擦搅拌接合装置，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的摩擦搅拌用工具。